針對住宅遮陽的倒三棱錐陽臺設(shè)計

朱靜 張清濤 熊豪

（西北民族大學,甘肅 蘭州730030）

1 研究綜述

近年來，隨著我國建筑節(jié)能的發(fā)展，建筑遮陽的推廣應(yīng)用已為大勢所趨。遮陽節(jié)能技術(shù)是建筑節(jié)能技術(shù)的重要組成部分，而門窗、玻璃幕墻等透光建筑構(gòu)件是建筑外圍護結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的環(huán)節(jié)。尤其在炎熱的夏季，這些熱量只能通過室內(nèi)的空調(diào)來調(diào)節(jié)。這種情況下，遮陽設(shè)計也就成為必不可少的環(huán)節(jié)。良好的遮陽設(shè)計不僅有助于節(jié)能，符合未來發(fā)展的要求，而且遮陽構(gòu)件成為影響建筑形體和美感的關(guān)鍵要素。故本文通過研究相關(guān)指標，確定了一種兼顧美觀與實用的倒三棱錐陽臺設(shè)計方案。

2 陽臺的設(shè)計

為了解決傳統(tǒng)遮陽設(shè)計在應(yīng)對建筑東西曬時效果并不顯著，且難以同時兼容遮陽與采光的問題，我們針對住宅遮陽的效果設(shè)計倒三棱錐陽臺。

設(shè)計采用的技術(shù)方案：提供一種倒三棱錐狀的陽臺設(shè)計（如圖1所示），陽臺結(jié)構(gòu)通過懸挑梁與建筑主體結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，達到建筑遮陽一體化的效果。遮陽設(shè)施和建筑空間的一體化設(shè)計減少了內(nèi)部的傳統(tǒng)遮陽工具使用，也同時可避免建筑物完工投入使用時，需要再次進行遮陽設(shè)施的安裝、保養(yǎng)和維護[1]。依據(jù)不同時段的平均太陽高度角來設(shè)計倒三棱錐遮陽陽臺的寬度和倒三棱錐陽臺的高度，能夠在不同時間段滿足南北地區(qū)的遮陽和采光需求[2]。

設(shè)計的有益效果：遮陽設(shè)施和建筑空間的一體化設(shè)計不僅可以為創(chuàng)造靈活通暢的空間效果和舒適宜人的物理環(huán)境，也可以將使用者對陽光的需求實在地反映出來，創(chuàng)造內(nèi)外兼修的完美空間效果。因三角形具有特殊的穩(wěn)定性，三棱錐也同樣如此，倒三棱錐陽臺獨特的三棱錐式結(jié)構(gòu)增強了陽臺的穩(wěn)定，且另一面與墻體相連，使得陽臺的穩(wěn)定性大大的增加。在每天太陽高度角的不斷變化情況下，倒三棱錐陽臺應(yīng)對不同角度的太陽光能夠進行不同情況的遮擋，正午時分，陽臺對陽光的遮擋達到最大值，對陽光遮擋留下室內(nèi)的陰影減少了太陽對室內(nèi)的輻射和暴曬；時間偏早或偏晚時，陽臺又能夠讓光線進入室內(nèi)，使得室內(nèi)不至于太昏暗或寒冷。

圖1 倒三棱錐陽臺剖面圖

圖1中，①表示太陽光線，②表示倒三棱錐陽臺的迎陽面，③表示倒三棱錐陽臺的背陽面，④表示陽臺的防護欄，⑤表示陽臺的上部空間，⑥表示陽臺內(nèi)部的空間，⑦表示被陽臺遮住光線的陰影部分，⑧表示室外空間。

3 MATLAB曲線擬合

圖2 MATLAB擬合陽臺寬度對太陽高度的適應(yīng)度表示圖

將太陽高度角、陽臺寬度、日照時間帶入到MATLAB擬合得到圖2，從圖中可以發(fā)現(xiàn)三個變量在笛卡爾空間坐標系中呈類似拋物線的波動形式，結(jié)合見圖1，可知太陽運動呈弧線，故在一天的日照過程內(nèi)，會有類似對稱的狀況出現(xiàn)，所以可認為拋物線的波動形式可以解釋三者變量之間的關(guān)系。擬合關(guān)系式如下：

誤差分析如下：

SSE: 9.512e+04（和方差，誤差平方和）

（趨向0最好）

R-square:0.06882（確定系數(shù)）

（趨向1最好）

Adjusted R-square:0.04921（調(diào)整系數(shù)）（趨向1最好）

RMSE:22.38（均方根，標準差）

（趨向零最好）

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練后的陽臺寬度離散見圖3。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練后的陽臺寬度離散圖

圖4 倒三棱錐陽臺計算圖

4 陽臺臺面寬度及其倒三棱錐臺高計算

4.1 陽臺臺面寬度D計算

倒三棱錐陽臺在冬日應(yīng)當具有采光與遮陽雙重功能，較北方干燥寒冷氣候，由于太陽高度角很小，陽臺的臺面寬度與陽臺臺高設(shè)計不應(yīng)當阻擋北方地區(qū)采光的需求。在南方地區(qū)寒冷潮濕的氣候下，倒三棱錐陽臺則在陽光較弱時進行采光取暖，在陽光強烈時進行遮擋，達到適應(yīng)地方需求、節(jié)能減排的效果。根據(jù)上述需求，將緯度進行分類：①以北緯25°為中心為一帶、②以北緯30°為中心為一帶、③以北緯35°為中心為一帶。計算“春—夏—秋”時段正午12時太陽高度角的平均值θ1，將θ1帶入陽臺臺面寬度計算公式：

D=H·tan（90°-θ1）

式中，D為陽臺臺面寬度；H為墻體高度;θ1為“春—夏—秋”時段正午12時太陽高度角的平均值。

得到北緯25°、北緯30°、北緯35°地區(qū)倒三棱錐陽臺寬度D。

表1 兩個正午時段太陽高度角的平均值

4.2 倒三棱錐陽臺高度h計算

h=tanθ2·D

式中：h為陽臺高度；D為陽臺臺面寬度；θ2為“秋—冬—春”時段正午12時太陽高度角平均值。

南方地區(qū)在太陽高度角大于圖45°時，上樓的遮陽陽臺臺面可對下樓進行遮陽效果，太陽高度角小于45°時，則可進行采光效果；北方地區(qū)在考慮北方氣候因素時，冬日太陽高度角大部分時間小于45°，由此設(shè)計可在冬日晝?nèi)諘r間段獲得大量的采光需求，轉(zhuǎn)入夏季后又可滿足夏日的遮陽性能。

圖5 陽光射入室內(nèi)分析圖

在南方地區(qū)，4月底5月初氣溫開始回升，太陽高度角開始逐漸增大，強烈的陽光帶來的太陽輻射在倒三棱錐的陽臺的遮擋下能被大部分的減少，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，夏季倒三棱錐陽臺在南方地區(qū)上午9時就可以開始進行對陽光的遮擋與輻射的削減；而進入冬日的南方地區(qū)，午日陽光輻射也相對整天來說較為強烈，以數(shù)據(jù)顯示在冬日的11時開始，倒三棱錐陽臺可以對太陽射入室內(nèi)的陽光進行遮擋，以此形成對南方地區(qū)全年普遍的遮陽作用[3]。在北方地區(qū)，四季的分明讓陽臺在不同的季節(jié)有著不同的作用。夏季陽光強烈，輻射大，倒三棱錐陽臺進行遮光作用，降低室內(nèi)入射的陽光和輻射；秋轉(zhuǎn)冬季后，北方地區(qū)氣溫偏為寒冷，太陽高度角降低，陽光屬性為溫和，應(yīng)考慮采光需求。倒三棱錐陽臺的合理設(shè)計在北方冬日里也能讓陽光充分的進入室內(nèi)并得到取暖的效果。

5 結(jié)語

本文提出了一種新型的倒三棱錐遮陽陽臺的設(shè)計方案，通過對我國不同緯度、太陽高度角、建筑高度等指標的研究計算，得出了以下結(jié)論：

1）陽臺結(jié)構(gòu)通過懸挑梁與建筑主體結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，達到建筑遮陽一體化的效果。遮陽設(shè)施和建筑空間的一體化設(shè)計減少了內(nèi)部的傳統(tǒng)遮陽工具使用，并對陽臺的結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)設(shè)計和說明。

2）運用MATLAB將相關(guān)指標進行擬合，預測陽臺寬度、太陽高度角和日照時間的相互影響程度，并對誤差進行相應(yīng)的分析。

3）對模型中的指標進行選定，得到適合北方和南方地區(qū)不同緯度下的陽臺寬度和陽臺高度計算公式。